Peser le boson W dans un jet express
Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction. Le détecteur ne voit pas deux particules distinctes, mais un seul jet large — comme si deux coureurs, à l'arrivée, ne formaient qu'une tache sur la photo. À l'intérieur de ce jet se cache l'information sur la masse du boson W d'origine.
Le problème, c'est que le jet s'entoure de « bruit » : le rayonnement mou émis sous de grands angles en brouille la masse, comme des éclaboussures brouillent la trace d'une pierre jetée dans l'eau. Pour éliminer ce bruit, les physiciens ont utilisé l'algorithme soft-drop : il découpe soigneusement les parties externes, trop larges, du jet, ne laissant que le noyau dense. C'est un peu comme un jardinier qui taille les branches envahissantes pour révéler la forme de l'arbre.
Grâce à cette méthode, l'équipe CMS a construit pour la première fois une image bidimensionnelle : combien d'événements correspondent à chaque combinaison d'impulsion transverse du jet et de sa masse après le nettoyage. De cette image, ils ont extrait la masse du boson W — 80,83 ± 0,55 GeV. L'incertitude de seulement 0,55 GeV est la plus petite jamais atteinte sur un collisionneur de hadrons pour le canal où le boson W n'est visible que par ses jets.
La précision n'est pas simplement une course aux chiffres impressionnants. Plus l'incertitude est faible, plus le test de la théorie est sensible. Si de futures mesures avec une erreur encore plus réduite montraient un écart par rapport à l'attendu, ce serait le signe de l'existence de particules ou d'interactions inconnues. Pour l'instant, ce nouveau résultat est parfaitement en accord avec le modèle standard, mais la méthode ouvre la voie à des tests plus fins.
La masse du boson W est environ 80 fois celle du proton, mais le boson W vit moins d'un billionième de seconde.